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在商品化的LED中，绝大部分采用蓝宝石作为外延生长的衬底材料。由于蓝宝石材料导热性较差，为防止LED有源区过高的温升对其光输出特性和寿命产生影响，在完成电极制备等工艺后，必须对蓝宝石衬底进行背减薄，以提高器件的散热性能。另外，由于蓝宝石的莫氏硬度达9.0，为满足划片、裂片等后继工艺的要求，同样需要将衬底厚度减薄至一定程度。 减薄后的衬底背面存在表面损伤层，其残余应力会导致减薄后的外延片弯曲变形且容易在后继工序中碎裂，从而影响成品率。因此，在减薄后必须对衬底背面进行抛光，以去除上述表面损伤层，消除残余应力。一般情况下，需要将外延片的厚度从400mm以上减薄至100mm附近或更薄。由于蓝宝石硬度很高，上述背减薄和抛光工作通常要耗费较长的时间，这样，背减薄和抛光的加工效率和质量就成为一个关键的问题。 蓝宝石衬底研磨的机理 材料研磨中的去除方式通常有三种，磨料颗粒的机械磨蚀作用、被研磨表面轻微地熔融和塑性流动、研磨剂中表面活性物质的化学作用。 蓝宝石的熔点高达2045℃，而蓝宝石衬底研磨中以机械磨蚀作用为主。在磨料的作用下，蓝宝石衬底的表面会出现大量的微裂纹，并延伸至表面以下，形成表面损伤层。在研磨过程中，这些微裂纹不断延伸，如果互相交叉，则其包围区域的蓝宝石材料会脱落，形成微小的凹坑和沟槽，从而达到研磨效果。由于蓝宝石硬度很高，在抛光时的去除量很小，因此在抛光前，必须将外延片背面的损伤层厚度降到合适的程度，才能在抛光时将其去净。 微裂纹的形成和延伸，以及表面损伤层的厚度，均与研磨的工艺参数密切相关。因此也可以知道，蓝宝石衬底表面损伤层的情况将直接影响到研磨时的表面状况，进而会影响到表面粗糙度。因此，通过研究表面粗糙度随工艺参数的变化，可以间接地分析表面损伤层的情况。 表面粗糙度与去除速率与转速的关系 衬底表面粗糙度随研磨盘转速的变化趋势，由此可看出，随着转速的增加，表面粗糙度下降。总体上，粗糙度值在485±80nm的范围内变化，维持在相同的数量级上。实际操作中发现，由于颗粒度大，240目碳化硼在研磨剂中的分散性很差。这样转速较低时，磨料在盘面上分布不均匀，容易产生较深的划痕，表面粗糙度较大。 提高转速后，磨料在盘上的均匀性提高，粗糙度随之降低。衬底去除速率随研磨盘转速的变化趋势，随着转速的增大，去除速率呈明显的上升趋势。研磨的去除速率与单位时间内衬底与盘上的磨料作相对切削运动的次数有关。转速上升后，磨料颗粒运动加快，研磨去除速率也就相应地上升。去除速率的提高可缩短研磨时间，在允许的情况下，应适当地提高研磨盘转速。 表面粗糙度与去除速率与研磨压力的关系 衬底表面粗糙度随研磨压力的变化趋势，可以看出，随着压力的增加，表面粗糙度近似呈线性下降趋势。总体上，粗糙度值在455±40nm的范围内变化，维持在相同的数量级上。由于240目的碳化硼颗粒度较大且有一定的分布，在压力较小时，蓝宝石衬底主要与较大的颗粒相接触，这样作用在这些颗粒上的压力大，划痕相应地较深。而且这些较大颗粒间有一定的间距，造成粗糙度较高。当增大压力后，磨料层受到挤压，较小的颗粒也能与衬底面相接触，尽管较大颗粒切入蓝宝石衬底内的深度增大，但较小的颗粒可以对较大颗粒的划痕起到整平作用，而且颗粒间距减小，因此从整体上来说，粗糙度会降低。衬底去除速率随研磨压力的变化趋势，随着压力的增大，去除速率近似呈线性上升趋势。当增大压力后，较大颗粒切入蓝宝石衬底内的深度增大，切削能力上升，而且颗粒间距减小，实际参与研磨的颗粒数增多，因此去除速率会增大。如果压力过大，磨料颗粒可能会被挤碎，研磨速率反而会下降。因此，应在适当的范围内增大研磨压力。 抛光时表面粗糙度随抛光时间的变化 抛光时表面粗糙度随抛光时间的变化，抛光开始时，减薄留下的表面损伤层中较大的起伏在抛光液和抛光垫的联合作用下迅速去除，因而粗糙度迅速下降，随着抛光的进行，外延片表面的起伏逐渐和软质抛光垫相贴合，粗糙度下降的速度变缓，最后，表面粗糙度达到一个稳定值。实际操作中发现，该值取决于所选择的压力等工艺条件，为该抛光条件下所能获得的最低表面粗糙度。根据上面的分析，应将抛光时间控制在刚好能使外延片背面达到最低粗糙度为止。 |
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